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Danilo Domenici. Nella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare.

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Presentazione sul tema: "Danilo Domenici. Nella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare."— Transcript della presentazione:

1 Danilo Domenici

2 Nella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare particelle, come quelle prodotte per esempio da un decadimento nucleare, dalla radiazione cosmica, o dalle interazioni in un acceleratore di particelle. (Wikipedia) Quando una particella attraversa un mezzo rilascia una certa dose di energia o di momento per la cosiddetta Interazione Radiazione-Materia. I rivelatori di particelle sono strumenti che producono un segnale osservabile quando il loro elemento attivo viene colpito dalla radiazione. Il segnale può essere direttamente osservabile oppure può necessitare di un ulteriore processamento da parte di un sistema di lettura.

3 radiazione cosmica decadimento nucleare acceleratore di particelle

4 Sensibilità: capacità di produrre un segnale utile per un certo tipo di radiazione e di energia. Risposta: tipo di segnale prodotto. Spesso è un impulso di corrente la cui ampiezza è proporzionale allenergia rilasciata dalla particella. Risoluzione: capacità di distinzione tra due misure vicine di una grandezza fisica misurata. Si esprime in termini di deviazione standard della distribuzione della grandezza misurata. Efficienza: frazione di particelle rivelate rispetto a quelle incidenti. Tempo morto: tempo necessario al rivelatore per essere di nuovo attivo dopo la rivelazione di una particella e la formazione del segnale.

5 sorgente bersaglio rivelatore Locchio umano è un rivelatore di particelle: i fotoni I fotoni sono le particelle elementari di cui è costituita la luce Noi vediamo un oggetto perché viene colpito da fotoni che poi rimbalzano e vengono rivelati dal nostro occhio

6 Nello stesso modo facendo rimbalzare particelle riusciamo a capire molte caratteristiche del bersaglio Noi «vediamo» la materia subatomica perché la colpiamo con particelle prodotte dagli acceleratori che rimbalzano sui rivelatori

7 Ernest Rutherford Nobel 1908 Rutherford capì come è fatto latomo e formulò il «Modello planetario»

8 RivelatoreOcchio umanoSchermo al fluoro SensibilitàFotoni (~ 1 eV)Alfa (~ 1 MeV) RispostaImpulso elettrico Variazione cromatica Risoluzione Spaziale ~ 100 µm~ 1 mm Efficienza~ 100% Tempo Morto0.1 s – 1 s Nessun rivelatore può essere sensibile a tutti i tipi di radiazione. Ogni rivelatore è progettato per essere sensibile ad un tipo di radiazione in un certo intervallo di energia. Un moderno apparato sperimentale è quindi costituito da un insieme di molti rivelatori diversi.

9 Struttura a «cipolla»: diversi tipi di rivelatori uno dentro laltro a formare strati di rivelazione intorno al punto dove si scontrano le particelle. I rivelatori interni devono avere unalta risoluzione spaziale per distinguere tparticelle molto vicine. I rivelatori esterni devono coprire superfici molto grandi Altezza 25 m Lunghezza 46 m Peso 7000 ton Superficie rivelatori 6000 m 2 100G canali di elettronica Costo 400 M 2100 scienziati 37 nazioni

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11 Tracciatori: usano gli urti atomici per campionare le tracce delle particelle cariche. Se immersi in un campo magnetico misurano la quantità di moto (impulso) della particella La particella esce dal rivelatore non perturbata Calorimetri Elettromagnetici: usano il fenomeno dello sciame elettromagnetico (causato dallirraggiamento e dalla produzione di coppie) per rivelare elettroni e fotoni Calorimetri Adronici: usano gli urti nucleari per rivelare le particelle adroniche (cariche e neutre) La particella viene completamente assorbita

12 Calorimetro di ATLAS Calorimetro di CMS Calorimetro di KLOE

13 Tracciatore di LHCb Tracciatore di CMS Tracciatore di TOTEM

14 Elettroni: urti atomici (f. em) + irraggiamento (f. em) Fotoni: produzione di coppie (f. em) Protoni: urti atomici (f. em) + urti nucleari (f. forte) Neutroni: urti nucleari (f. forte) Muoni: urti atomici (f. em) Pioni: urti nucleari (f. forte) Kaoni neutri: urti nucleari (f. forte) Kaoni carichi: urti nucleari (f. forte) + urti atomici (f. em) Particelle stabili Particelle che decadono con τ > s Tutte le altre particelle (con τ < s) non sono rivelabili direttamente, ma attraverso i loro prodotti di decadimento Solamente 8 particelle vivono abbastanza a lungo da poter lasciare una traccia direttamente rivelabile

15 Tracciatore: particelle cariche Magnete: piega le tracce delle particelle cariche Calorimetro EM: elettroni, positroni e fotoni Calorimetro adronico: adroni carichi e neutri Rivelatore di Muoni: muoni

16 Fotoni Elettroni Muoni Pioni Neutroni

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23 23 Il sistema di filtro dei dati deve ridurre 1 PB/s in uscita dal rivelatore a 1 PB/y Questa enorme capacità di calcolo è disponibile grazie alla GRID Se mettessimo i dati di 1 anno di LHC su CD formerebbero una pila alta 20 km

24 Danilo Domenici

25 Camera a Bolle Scintillatori Fotomoltiplicatori Rivelatori Cerenkov Rivelatori a Gas Rivelatori a Semiconduttore

26 E costituita da un recipiente metallico contenente un liquido surriscaldato e compresso. Una particella carica ionizza il liquido e lungo il percorso si formano bollicine che possono essere fotografate ottenendo una ricostruzione delle tracce.

27 Scoperta della Λ 0 nel 1951 Scoperta del positrone nel 1932 Dirac (N. 1933) Anderson (N. 1936)

28 Scintillatori a cristalli: NaI(Tl)LaBr 3 (Ce) CsI(Tl)PbWO 4 BaF 2 LSO(Ce) BGOYAP Alta densità – Grande produzione di luce Scintillatori plastici: Polistirene Alta velocità di risposta – Bassi costi La particella incidente cede parte della propria energia allo scintillatore causando l'eccitazione di un elettrone. La seguente diseccitazione provoca lemissione di un fotone visibile. Gli scintillatori sono sempre accoppiati ai Fotomoltiplicatori BaF2 BGO Scintillatori Plastici

29 Sono rivelatori di luce basati sulleffetto fotoelettrico e lemissione secondaria. Sono costituiti da un tubo di vetro sotto vuoto in cui sono presenti un fotocatodo, un anodo e diversi dinodi. I fotoni colpiscono il fotocatodo che emette elettroni che sono poi moltiplicati sui dinodi e raccolti sullanodo creando un segnale di corrente. scintillatore fotomoltiplicatore

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31 Leffetto Cerenkov consiste nell'emissione di radiazione elettromagnetica (luce) da parte di una particella in moto ad una velocità superiore alla velocità della luce nel mezzo attraversato. Misurando langolo del cono di luce si ricava la velocità della particella. Se contemporaneamente misuro limpulso posso identificare la particella Nobel 1958

32 Analogia con il Cono di Mach quando si supera la barriera del suono (1238 km/h) Luce Cerenkov emessa dal nocciolo di un reattore nucleare

33 Il più semplice Rivelatore a Gas è costituito da un condensatore cilindrico riempito di gas (es. Argon) Il gas viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano coppie elettrone (e – ) Ione (Ar + ). Il campo elettrico attira gli e – verso il filo accelerandoli fino ad innescare una Moltiplicazione a Valanga. La carica finale viene raccolta sul filo e produce un segnale elettrico.

34 Cambiando la tensione applicata si hanno 3 diversi modi di funzionamento che caratterizzano 3 tipi di Rivelatori a Gas: Camera a Ionizzazione (radioprotezione) Contatore Proporzionale (fisica sperimentale) Contatore Geiger (radioattività ambientale)

35 Stesso principio dei rivelatori a geometria cilindrica. Il rivelatore è formato da molti fili paralleli posti tra 2 catodi ad una distanza di ~ 2 mm. Il segnale elettrico si forma sul filo più vicino alla particella dando una informazione sulla sua posizione. G. Charpak Nobel 1992 KLOE

36 Costituiti da un sottile foglio kapton ricoperto di rame su entrambi i lati e microforato (diametro 70 µm, distanza 140 µm). Una differenza di potenziale (400 V) tra le 2 facce crea un intenso campo elettrico allinterno dei fori che innesca la moltiplicazione a valanga degli elettroni

37 L elemento attivo è un sottile strato di Semiconduttore drogato, principalmente Silicio (ma anche Ge, ZnCdTe, Diamante) Il materiale viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano coppie elettrone (e) lacuna (h). Il campo elettrico attira gli elettroni verso lanodo producendo un segnale elettrico. A differenza dei rivelatori a gas non cè Moltiplicazione a Valanga perché la carica iniziale è già molto grande. La costruzione sfrutta la tecnologia di realizzazione dei chip elettronici

38 CLEO III Sono rivelatori ad altissima risoluzione spaziale (30µm) usati spesso come rivelatori di vertice, in zone molto vicine al punto di collisione dei fasci di particelle Possono essere usati anche come rivelatori di luce: APD (Avalanche PhotoDiode) SiPM (Silicon PhotoMultipliers) Il principio di funzionamento è simile (ma opposto) a quello dei LED o delle Celle Solari

39 SI inietta un radiofarmaco nel corpo del paziente e si rivelano i fotoni emessi Lo sviluppo sui rivelatori ha contribuito a migliorare la risoluzione delle immagini


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